(57)【要約】【課題】簡易な構成をもち、磁石の経年変化等にも対応可能な絶対角検出技術を確立する。【解決手段】ギア２２を通じて回転軸５０の周りに回転駆動される回転体２０の先端付近に磁石２８を設ける。回転体は支持体３０によって支えられており、雄ネジ２６及び雌ネジ３４からなる移動機構によって、絶対角に応じた距離だけ回転軸方向に移動する。磁石からの距離が互いに異なる位置に設けられた第１磁気検知素子３８と第２磁気検知素子４０とを用いて磁気強度を検知し、その比を求める。比の大きさは回転体２０の位置によって決まるので、絶対角を求めることができる。【選択図】図１
2005147860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸周りに回転する回転体と、
前記回転体を支える支持体と、
前記回転体の絶対的な回転角に応じた距離だけ、前記回転体を前記支持体に相対的に前記回転軸方向に移動させる移動機構と、
前記回転体の回転軸上に設けられた磁性部材と、
前記支持体に設けられ、前記磁性部材に伴う磁気を検出する二つの磁気検知素子であって、前記磁性部材からの距離が互いに異なる位置に配置された第１磁気検知素子及び第２磁気検知素子と、
前記第１磁気検知素子が検出した磁気と前記第２磁気検知素子が検出した磁気とに基づいて前記回転体の絶対的な回転角を算出する算出手段と、
を備える、ことを特徴とする絶対角検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の絶対角検出装置において、
前記算出手段は、前記第１磁気検知素子が検出した磁気と前記第２磁気検知素子が検出した磁気との比に基づいて前記絶対的な回転角を算出する、
ことを特徴とする絶対角検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の絶対角検出装置において、
前記第１磁気検知素子は、回転軸に対する垂直面における２方向の磁気成分を検出することにより前記回転体の相対的な回転角を検出する相対角検出機能を備え、
前記算出手段は、前記相対的な回転角にも基づいて前記絶対的な回転角を算出する、
ことを特徴とする絶対角検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の絶対角検出装置において、
前記第２磁気検知素子は、回転軸に対する垂直面における２方向の磁気成分を検出する機能を備え、
前記算出手段は、前記第１磁気検知素子と前記第２磁気検知素子が検出した２方向の磁気成分から前記垂直面内におけるそれぞれの磁気強度を求め、求めた磁気強度の比に基づいて前記絶対的な回転角を算出する、
ことを特徴とする絶対角検出装置。
【請求項５】
請求項３に記載の絶対角検出装置において、
前記第２磁気検知素子は、前記第１磁気検知素子が検出する２方向の磁気成分と同じ２方向の磁気成分を検出する機能を備え、
前記算出手段は、第１磁気検知素子と前記第２磁気検知素子における各方向の磁気成分の比に基づいて前記絶対的な回転角を算出する、
ことを特徴とする絶対角検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載の絶対角検出装置において、
前記第１磁気検知素子は前記回転軸の延長線上に配置され、
前記第２磁気検知素子は前記回転軸の延長線上の前記第１磁気検知素子とは異なる位置に配置される、
ことを特徴とする絶対角検出装置。
【請求項７】
請求項１に記載の絶対角検出装置において、
前記第１磁気検知素子と前記第２磁気検知素子は前記回転体に対し同一方向に配置される、
ことを特徴とする絶対角検出装置。
【請求項８】
請求項１に記載の絶対角検出装置において、
前記第１磁気検知素子と前記第２磁気検知素子は前記回転体に対し互いに異なる方向に配置される
ことを特徴とする絶対角検出装置。
【請求項９】
請求項１に記載の絶対角検出装置において、
前記支持体は、回転軸に対し垂直に設置された板上の基盤を備え、
前記第１磁気検知素子は前記基盤上かつ前記回転軸の延長線上に配置され、
前記第２磁気検知素子は前記基盤上かつ前記回転軸の延長線上以外に配置される、
ことを特徴とする絶対角検出装置。
【請求項１０】
回転軸周りに回転する回転体と、
前記回転体を支える支持体と、
前記回転体の絶対的な回転角に応じた距離だけ、前記回転体を前記支持体に相対的に前記回転軸方向に移動させる移動機構と、
前記回転体に設けられた磁性部材であって、回転軸以外の箇所に配置された磁性部材と、
前記支持体に設けられ、前記磁性部材に伴う磁気を検出する二つの磁気検知素子であって、前記回転軸の延長線上で前記磁性部材からの距離が互いに異なる位置に配置された第１磁気検知素子及び第２磁気検知素子と、
前記第１磁気検知素子が検出した磁気と前記第２磁気検知素子が検出した磁気とに基づいて前記回転体の絶対的な回転角を算出する算出手段と、
を備える、ことを特徴とする絶対角検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気を検知する素子を利用して回転体の絶対的な回転角を求める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転体の絶対的な回転角（絶対角）を求める技術は、様々な分野で必要とされている。例えば、自動車の製造分野においては、ハンドル等の絶対回転角の検出が求められている。この絶対角の検知は、例えば記憶部の電源をＯＦＦにして過去の履歴情報を消失した場合にも検知可能であることが望ましい。また、例えば磁気検知素子の出力電圧が特定値に固着するなどの故障を検出できることも重要である。
【０００３】
下記特許文献１には、ステアリングシャフトの回転に伴って軸方向に移動する移動体上に、複数の磁性部材を同心状に所定ピッチで取り付けて、磁気センサで検知することにより絶対角を検出する技術が開示されている。下記特許文献２には、ステアリングシャフトに設けられた螺旋状の磁性体を２つ磁気センサで検知する冗長系を構成することで故障検出を可能とした角検出技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−４７９１２号公報
【特許文献２】特開２００１−２０１３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の技術では複数の磁性体が必要であり、上記特許文献２の技術でも螺旋状の特殊な磁性体が必要となる。また、磁性体の機能が温度等の使用環境や時間経過にともなって劣化することを考慮して、絶対回転角の検出を行うことが望ましい。
【０００６】
本発明の目的は、一つの磁性体だけを利用するなどの簡易な構成で絶対角を求める技術を確立することにある。
【０００７】
本発明の別の目的は、磁性体にともなう磁気が使用環境や時間経過に起因して弱くなる場合にも利用可能な絶対角の検出技術を確立することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
回転軸周りに回転する回転体と、前記回転体を支える支持体と、前記回転体の絶対的な回転角に応じた距離だけ、前記回転体を前記支持体に相対的に前記回転軸方向に移動させる移動機構と、前記回転体の回転軸上に設けられた磁性部材と、前記支持体に設けられ、前記磁性部材に伴う磁気を検出する二つの磁気検知素子であって、前記磁性部材からの距離が互いに異なる位置に配置された第１磁気検知素子及び第２磁気検知素子と、前記第１磁気検知素子が検出した磁気と前記第２磁気検知素子が検出した磁気とに基づいて前記回転体の絶対的な回転角を算出する算出手段と、を備える。
【０００９】
回転体は、支持体に支えられており、ある回転軸まわりに回転する。回転軸とは回転の中心軸であり、対応する物理的な軸形状部材はあってもなくてもよい。そして、回転体は、移動機構によって、回転した角度に応じた距離だけ、支持体に対して相対的に前記回転軸方向に移動する。つまり、絶対的な回転角（絶対角）と移動距離とが対応しており、移動距離を検出できれば絶対角が導かれる関係に構成されている。なお、この目的のため、磁性部材は前記回転体の回転軸上の付近に設けられており、回転軸上はもとよりそれ以外の場所に設けられた磁気検知素子との距離が回転によって周期的に増減することを防止している。
【００１０】
磁気検知素子は、支持体に設けられており、磁性部材にともなう磁気を検出する。二つの磁気検知素子である第１磁気検知素子と第２磁気検知素子は、前記磁性部材からの距離が互いに異なる位置に配置されている。このため、二つの磁気検知素子で検出される磁気は、大きさあるいは方向が異なる。また、この磁気の大きさあるいは方向は、磁性部材の位置に応じても異なる。算出手段は、この特性を利用して磁性体の位置、すなわち、絶対的な回転角を算出する。すなわち、二つの磁気検知素子で検知された磁気（あるいはこの二つの磁気を演算的に加工（加減乗除や比較など）して得られる磁気情報）と絶対角の情報を結びつける対応関係情報を予め与えておくことで、絶対角を求めることができる。なお、絶対角とは、何回転目かの情報を含んだ角度情報を指す。
【００１１】
以上の構成によれば、この絶対角検出装置は、過去に測定した絶対角の情報を知ることなく絶対角を検出することができる。また、磁性体をひとつだけ用いて絶対角を検出することが可能である。なお、ここでは磁気検知素子を二つであるとしたが、三つ以上の磁気検知素子を設けて冗長系を構成することも可能である。
【００１２】
望ましくは、本発明の絶対角検出装置において、前記算出手段は、前記第１磁気検知素子が検出した磁気と前記第２磁気検知素子が検出した磁気との比に基づいて前記絶対的な回転角を算出する。検出される磁気は、磁性部材の磁性強度によって変化し、また、磁性部材と磁気検知素子との距離によっても変化する。前記第１磁気検知素子が検出した磁気と前記第２磁気検知素子が検出した磁気との比を求めることにより、磁性部材の磁性強度の寄与分がキャンセルされて、磁性部材と磁気検知素子との距離の寄与分についての比が残る。この磁性部材と磁気検知素子との距離の寄与分についての比は、磁性部材と磁気検知素子との距離に応じて変化するため、予めこの比と絶対角との対応関係情報等を与えておくことにより、絶対角を検出することができる。この構成によれば、磁性部材にともなう磁気が使用環境や時間経過に起因して変化しても、検出の基準を変えることなく磁性部材の位置、すなわち、絶対角を検出することができる。
【００１３】
望ましくは、本発明の絶対角検出装置において、前記第１磁気検知素子は、回転軸に対する垂直面における２方向の磁気成分を検出することにより前記回転体の相対的な回転角を検出する相対角検出機能を備え、前記算出手段は、前記相対的な回転角にも基づいて前記絶対的な回転角を算出する。垂直面における２方向の磁気成分は、直接的に検出されてもよいし、適当な２方向の磁気成分の垂直面への射影を求めることで検出されてもよい。また、直交する２成分が演算的に求められるのであれば（言い換えれば、相対的な回転角情報を得られるのであれば）、垂直面における２方向は必ずしも直交していなくてよい。この構成によれば、二つの磁気検知素子が検出した磁気の比によって大凡の回転位置（何回転目であるか）を計算する。そして、このうちの一つの磁気検知素子がもつ相対回転角の検出機能により、厳密な相対角を求める。この両者を組み合わせることにより、精度良く、絶対的な回転角を算出することができる。なお、もう一方の磁気検知素子は、必ずしも２方向の磁力を求める必要はなく、例えば２方向の成分のベクトル和の大きさとしての磁気強度を直接的に求めるものであってもよい。そして、第１磁気検知素子の２方向の磁気成分からも磁気強度を求めることにより、両者の比をとるなどして絶対角を検出するなどしてもよい。
【００１４】
望ましくは、本発明の絶対角検出装置において、前記第２磁気検知素子は、回転軸に対する垂直面における２方向の磁気成分を検出する機能を備え、前記算出手段は、前記第１磁気検知素子と前記第２磁気検知素子が検出した２方向の磁気成分から前記垂直面内におけるそれぞれの磁気強度を求め、求めた磁気強度の比に基づいて前記絶対的な回転角を算出する。この構成によれば、二つの磁気検知素子は、それぞれ２方向の磁気成分を検出することができる。これにより、２方向が含まれる面における磁気の大きさとしての磁気強度を求めることができる。そして、求めた磁気強度の比をとることで絶対角を検出する。したがって、第１磁気検知素子が検出する２方向と、第２磁気検知素子が検出する２方向は互いに異なる方向であっても良い。
【００１５】
望ましくは、本発明の絶対角検出装置において、前記第２磁気検知素子は、前記第１磁気検知素子が検出する２方向の磁気成分と同じ２方向の磁気成分を検出する機能を備え、前記算出手段は、第１磁気検知素子と前記第２磁気検知素子における各方向の磁気成分の比に基づいて前記絶対的な回転角を算出する。この構成によれば、第１磁気検出装置と第２磁気検出装置は、共通の２方向の磁気成分を直接的、あるいは、演算により検出する。そして、磁性強度を求めるのではなく、同じ方向の成分同士で比をとることにより、絶対角を検出する。
【００１６】
望ましくは、本発明の絶対角検出装置において、前記第１磁気検知素子は前記回転軸の延長線上に配置され、前記第２磁気検知素子は前記回転軸の延長線上の前記第１磁気検知素子とは異なる位置に配置される。望ましくは、本発明の絶対角検出装置において、前記第１磁気検知素子と前記第２磁気検知素子は前記回転体に対し同一方向に配置される。あるいは、望ましくは、本発明の絶対角検出装置において、前記第１磁気検知素子と前記第２磁気検知素子は前記回転体に対し互いに異なる方向に配置されてもよい。
【００１７】
望ましくは、本発明の絶対角検出装置において、前記支持体は、回転軸に対し垂直に設置された板上の基盤を備え、前記第１磁気検知素子は前記基盤上かつ前記回転軸の延長線上に配置され、前記第２磁気検知素子は前記基盤上かつ前記回転軸の延長線上以外に配置される。
【００１８】
なお、本発明の絶対角検出装置は、回転軸周りに回転する回転体と、前記回転体を支える支持体と、前記回転体の絶対的な回転角に応じた距離だけ、前記回転体を前記支持体に相対的に前記回転軸方向に移動させる移動機構と、前記回転体に設けられた磁性部材であって、回転軸以外の箇所に配置された磁性部材と、前記支持体に設けられ、前記磁性部材に伴う磁気を検出する二つの磁気検知素子であって、前記回転軸の延長線上で前記磁性部材からの距離が互いに異なる位置に配置された第１磁気検知素子及び第２磁気検知素子と、前記第１磁気検知素子が検出した磁気と前記第２磁気検知素子が検出した磁気とに基づいて前記回転体の絶対的な回転角を算出する算出手段と、を備えていてもよい。この構成によれば、磁性部材は回転軸上にないが、二つの磁気検知素子は回転軸上にある。したがって、磁性部材と磁気検知素子との距離は、移動機構による移動によっては変化するが、単に回転によって周期的に変化することはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る絶対角検出装置１０の端面図である。図示した絶対角検出装置１０は、全長が数センチ程度の大きさであり、主として回転体２０と支持体３０とから構成されている。回転体２０は支持体３０に支えられており、回転軸５０の周りに回転可能となっている。
【００２１】
回転体２０は、外部の回転駆動力を受け止める円盤状のギア２２を備えている。ギア２２は円筒状の本体部２４と接続されており、本体部２４はギア２２とともに回転する。本体部２４の側面には雄ネジ２６が設けられている。そして、本体部２４の先端付近の回転軸５０上付近には、磁石２８が備えられている。また、ギア２２を挟んで本体部２４の反対側には補助軸２９が接続されている。
【００２２】
支持体３０は、筒状のホルダ部３２を備えている。そして、ホルダ部３２の内側には、雄ネジ２６と対になる雌ネジ３４が設けられている。ホルダ部３２は、回転軸５０方向とは垂直な方向に拡がる板状の基盤３６に接続されている。板状の基盤３６の回転軸５０上には、ホルダ部３２側に第１磁気検知素子３８が設けられ、反対側に第２磁気検知素子４０が設けられている。第１磁気検知素子３８及び第２磁気検知素子４０は、それぞれ、磁石２８に起因する磁力を基盤３６の板面に平行な２方向に関して検知する。これにより、磁力の方向と強さを検知することができる。また、支持体３０は、補助軸２９を支持するドーナツ状の軸抑え部４２，４４を備えている。
【００２３】
絶対角検出装置１０は、この他に、第１磁気検知素子３８及び第２磁気検知素子４０の出力に基づいて、絶対的な回転角を算出する算出部を備えている。算出部の設置位置は特に限定されず、例えば支持体３０に設けられてもよいし、外部の演算機能をもつ装置を利用して構成してもよい。
【００２４】
次に、絶対角検出装置１０の動作について説明する。絶対角検出装置１０は、例えば、自動車のハンドルの回転操作によって回転駆動されるステアリングシャフトに設置される。すなわち、支持体３０を適当な固定箇所に固定し、回転体２０のギア２２を、ステアリングシャフトに設けられたギアとかみ合わせるようにして設定される。ギア２２のギア比の設定は特に限定されず、必要な分解能に応じて、例えばステアリングシャフトが３０度回転するとギア２２が３６０度回転するように設定される。ギア２２がステアリングシャフトの回転を受けると、ギア２２と一体構成された回転体２０全体は回転軸５０の周りに回転する。このとき、雄ネジ２６及び雌ネジ３４とによって構成される移動機構によって、回転体２０は支持体３０に対して相対的に回転軸５０方向に移動する。すなわち、ギア２２が一方向に回転するにつれて、回転体２０は基盤３６側に接近し、ギア２２が他方向に回転するにつれて、回転体２０は軸抑え部４２，４４側に接近する。この結果、回転体２０は、絶対的な回転角に応じて定められる位置に移動することになる。
【００２５】
このとき、第１磁気検知素子３８は、直交する２方向の磁気成分（Ｂ1x，Ｂ1y）を検知する。算出部は、この検知結果に基づいて、回転体２０の相対的な回転角θ＝ｔａｎ-1（Ｂ1y／Ｂ1x）、すなわち、回転体２０がどの方向を向いているかを算出することができる。なお、第２磁気検知素子３８が検出する２方向の磁気成分（Ｂ2x，Ｂ2y）に基づいて同様に回転角を求める必要はないが、冗長系を構成して回転角を求めることで、検出精度を向上させたり、故障の発見を行うことができる。
【００２６】
算出部は、さらに、磁気強度Ｂ1＝ｓｑｒｔ（Ｂ1x2＋Ｂ1y2）とＢ2＝ｓｑｒｔ（Ｂ2x2＋Ｂ2y2）を計算し、その比Ｂ2／Ｂ1を求める。図２（ａ）は、磁石２８と磁気検知素子間の距離に対する磁気強度を示したグラフである。第１磁気検知素子の検知に基づく磁気強度Ｂ1と、第２磁気検知素子の検知に基づく磁気強度Ｂ2は、ともに、距離が離れるに従って値が小さくなっている。図２（ｂ）は、図２（ａ）と同じ横軸をもつグラフであり、検出磁気強度比Ｂ2／Ｂ1の値を示している。
【００２７】
重要なことは、この値が距離とともに単調に変化（今の場合は増加）していることである。すなわち、縦軸の検出磁気強度比と横軸の距離とは一対一に対応している。そして、この距離と回転体の絶対角とは移動機構の構成により一対一に対応する。したがって、算出部において、各検出磁気強度比に対する絶対角の値を予めＬＵＴ（ルックアップテーブル）として与えたり、近似的な関数系で与えておけば、検出磁気強度比に対応した絶対角を求めることができる。そして、この絶対角を、前に説明した相対的な回転角θで補正することにより、絶対角を高精度で求めることができる。
【００２８】
なお、ここでは検出磁気強度比としてＢ2／Ｂ1を用いたが、距離に対する単調性を維持できるのであれば、他の表現形式を用いてもよい。例えば平方根演算の非効率性を避けて（Ｂ2／Ｂ1）2を用いることができる。
【００２９】
以上の構成における利点の一つは、磁石２８の性能劣化等が生じても、特別な措置をとることなく対応できる点である。磁石２８に伴う磁力Ｂは、近似的に磁石の強さｍの関数ｆ（ｍ）と距離ｒの関数ｇ（ｒ）との積でＢ＝ｆ（ｍ）ｇ（ｒ）と表現される。したがって、磁気強度Ｂ１とＢ２はそれぞれ磁石２８の強さｍの変化に伴って値を変えるが、磁気強度比を求めた場合にはｆ（ｍ）の効果はキャンセルされる。したがって、図２（ｂ）に示したグラフは、磁石２８の強さの変化にもかかわらず、ほぼ同じ形を保つ。
【００３０】
次に、図３と図４を用いて、実施形態の変形例を説明する。この図３と図４は、共に、図１の変形例を示す図であり、同一部材には同一番号を付して説明を省略する。
【００３１】
図３の絶対角検出装置１００においては、基盤１３６が図の下方に大きく拡がっている。そして、第２磁気検知素子１４０は、基盤１３６の広く延びた位置、すなわち、回転体２０側でホルダ部３２の外側位置に設置されている。このように、磁気検知素子は、必ずしも回転軸５０上になくてもよい。これは、磁石２８が回転軸上にあるため、回転体２０が回転して移動機構により移動した場合に、磁気検知素子がどこにあっても距離に対して磁気強度比は単調に変化するからである。ただし、相対的な回転角を高精度で求める観点からすれば、少なくとも一方の磁気検知素子は回転軸５０上にあることが望ましい。なお、反対に、磁石２８を回転軸５０上に設けず、二つの磁気検知素子を共に回転軸５０上に設けた場合にも、同様に距離に対して磁気強度比は単調に変化するため、絶対角を求めることができる。
【００３２】
図４の絶対角検出装置２００は、ギア２２に対して面対称の構造をもっている。すなわち、回転体２２０は本体部２４，３２４がそれぞれギア２２の左右に延びている。そして、本体部３２４には雄ネジ３２６が切られている。また、ひとつの大きな磁石２２８，３２８がギア２２付近に設けられている。回転体２２０は、右支持体２３０と左支持体３３０とによって支持されている。左支持体３３０には、右支持体２３０と同様に、ホルダ部３３２、雌ネジ３３４、基盤３３６が設けられている。そして、第２磁気検知素子３４０が第１磁気検知素子３８と同様にして、基盤３３６の内側の回転軸５０上に設けられている。
【００３３】
このように、二つの磁気検知素子が、回転体２２０を挟んで反対側に存在してもよい。磁気検出の精度を考えれば磁気検知素子は磁石に対して比較的近い部分に設けることが好ましいため、共に支持体の内側に磁気検知素子を備えることができる本変形例は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】絶対角検出装置の構成例を示す端面図である。
【図２】磁石と検知素子の距離に対する磁気強度（ａ）と磁気強度比（ｂ）を示す図である。
【図３】絶対角検出装置の変形例を示す端面図である。
【図４】絶対角検出装置の別の変形例を示す端面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  絶対角検出装置、２０  回転体、２２  ギア、２４  本体部、２６  雄ネジ、２８  磁石、２９  補助軸、３０  支持体、３２  ホルダ部、３４  雌ネジ、３６  基盤、３８  第１磁気検知素子、４０  第２磁気検知素子、５０  回転軸。
【図１】
2005147860.tif 000003
【図２】
2005147860.tif 000004
【図３】
2005147860.tif 000005
【図４】
2005147860.tif 000006